史俊杰

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、收集太陽(yáng)能效果良好，已被廣泛應(yīng)用于生活熱能供應(yīng)。熱泵通過(guò)使用電網(wǎng)電力和常用的低品位熱源，可以為建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施提供穩(wěn)定的供熱。但由于天氣的影響，太陽(yáng)能熱泵在供暖應(yīng)用方面存在間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題。若將太陽(yáng)能集熱板與熱泵結(jié)合起來(lái)，可以克服獨(dú)立太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)熱供需不匹配以及獨(dú)立熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、低能源效率和高能耗等問(wèn)題，從而為建筑和基礎(chǔ)設(shè)施提供穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)和高效的熱能。因此，太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)在全球獲得了廣泛的關(guān)注，相關(guān)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在過(guò)去的幾十年里一直在快速發(fā)展。

本文對(duì)太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)研究的進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，探討如何提高太陽(yáng)能效率、熱泵能效和快速響應(yīng)時(shí)間的太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)，并討論了太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)發(fā)展的未來(lái)前景。這將有助于加速太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展，從而減少化石燃料使用，加速太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用，減少碳排放，助力“碳達(dá)峰”和“碳中和”。

1 太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)的潛在挑戰(zhàn)

太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱模塊、熱泵模塊和蓄熱換熱器模塊組成。這些模塊之間的不同組合方式形成了不同類型的太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)可以大致劃分為并聯(lián)、串聯(lián)和組合類型。串聯(lián)系統(tǒng)可以安裝在直接膨脹或間接膨脹裝置中。通過(guò)將并聯(lián)和串聯(lián)系統(tǒng)集成在一起，可實(shí)現(xiàn)雙源太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)是并聯(lián)和串聯(lián)的組合。系統(tǒng)可以在太陽(yáng)能直供模式、熱泵直供模式、太陽(yáng)能輔助熱泵供能模式三種模式下運(yùn)行。雖然太陽(yáng)能輔助熱泵在技術(shù)和應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展，但在以下方面仍存在一些挑戰(zhàn)和差距。

1.1 低溫環(huán)境下性能差

當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，由于太陽(yáng)能集熱器的熱效率較低，使得熱泵在寒冷天氣條件下的COP 較低，最終導(dǎo)致太陽(yáng)能輔助熱泵的能效將顯著降低。隨著熱泵體積效率逐漸降低，壓縮機(jī)排氣溫度逐步升高，導(dǎo)致壓縮機(jī)壓縮比持續(xù)增大，制冷劑質(zhì)量流量的逐漸減少導(dǎo)致運(yùn)行效率進(jìn)一步降低。此外，蒸發(fā)器結(jié)霜會(huì)影響熱泵性能，被阻塞的蒸發(fā)器表面顯著降低了熱泵的熱容量和COP。為了減輕除霜對(duì)熱泵性能的影響，可通過(guò)使用二氧化碳循環(huán)、輔助鍋爐、翅片管太陽(yáng)能集熱器/ 蒸發(fā)器、微通道傳熱技術(shù)、PCM 和蒸氣噴射循環(huán)等技術(shù)手段予以改善[2]。

1.2 建筑物熱需求與太陽(yáng)能輔助熱泵熱供給不匹配

北半球太陽(yáng)輻射在夏季多而冬季少，其水平在日、周和季節(jié)的不同周期上都有波動(dòng)。另一方面熱泵在較高的環(huán)境溫度下具有更好的性能，而在較低的溫度下不僅效率低下，而且電耗顯著。然而，建筑物在低環(huán)境溫度下的熱需求較高，這就造成了建筑的熱需求和太陽(yáng)能輔助熱泵的熱供給無(wú)法有效匹配。

諸多研究均在努力解決建筑物熱供需不匹配的問(wèn)題，如比較流行的太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)（SAGSH）。太陽(yáng)能輔助地源熱泵通過(guò)將太陽(yáng)能注入地面，可以同時(shí)消除土壤的熱環(huán)境惡化和地面的溫度降低的問(wèn)題，從而提高系統(tǒng)效率，保持系統(tǒng)運(yùn)行條件更加穩(wěn)定。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的地源熱泵相比，太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高的COP。

2 太陽(yáng)能輔助熱泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

太陽(yáng)能輔助熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能與熱泵兩者之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以提高COP 為目標(biāo)，通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)了極端氣候的供熱需求。

自1984 年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在輔助熱泵系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)上做過(guò)諸多嘗試，CHATURVEDI 等[2]將太陽(yáng)能集熱器與翅片管換熱器并聯(lián)，通過(guò)閥門(mén)切換使其一作為熱泵的蒸發(fā)器。而陳雁[3]等[3]將平板太陽(yáng)能集熱器與翅片管換熱器串聯(lián)，集熱器加熱后的熱風(fēng)輸送至熱泵蒸發(fā)器不僅提高了熱泵的蒸發(fā)溫度同時(shí)解決了集熱器冬季結(jié)霜問(wèn)題。而后WANG 和QUAN 等[4]進(jìn)一步設(shè)計(jì)了PV/T 與熱泵結(jié)合的系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光電與光熱轉(zhuǎn)化，因PV/T隨著溫度升高光電轉(zhuǎn)化率降低，系統(tǒng)通過(guò)不同循環(huán)方式將PV/T 工作溫度控制在合理范圍，并將余熱回收并如系統(tǒng)內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效能提高。

為降低空氣源熱泵的壓縮比以提升低溫運(yùn)行性能。YAN、CHEN 以及ZHU[5-7]等將噴射器應(yīng)用于空氣源熱泵，通過(guò)回收節(jié)流過(guò)程中損失的膨脹功，提升了壓縮機(jī)的吸氣壓，從而降低了壓縮機(jī)的壓縮比。Siyuan Ran[8]等提出了一種使用多功能蒸發(fā)器的帶有熱虹吸管的混合太陽(yáng)能-空氣源熱泵。該系統(tǒng)可以從單一熱源（即太陽(yáng)能或環(huán)境空氣）或它們的組合吸收熱量。此外，它可以根據(jù)太陽(yáng)強(qiáng)度在熱虹吸模式或熱泵模式下工作，在太陽(yáng)能充足的情況下，甚至可以通過(guò)太陽(yáng)能熱虹吸模式提供熱量而無(wú)需能耗。

對(duì)于利用太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用方面，R.LAZZARIN[9]重點(diǎn)分析了作為熱泵冷源的太陽(yáng)能對(duì)外部空氣的可能貢獻(xiàn)，評(píng)估了太陽(yáng)能與空氣源的不同集成模式。同時(shí)，JIBO LONG[10]等提出了一種混合太陽(yáng)能熱水和空氣源熱泵（HSAHP）組合供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種連接方式，如太陽(yáng)能熱水（SHW）和空氣源熱泵（ASHP）并聯(lián)供暖模式，太陽(yáng)能熱水作為空氣源熱泵熱源的串聯(lián)供熱方式和預(yù)熱式接入方式。通過(guò)文章中給出的HSAHP 組合供熱系統(tǒng)的最佳能效面積圖可以針對(duì)不同的天氣情況切換不同的運(yùn)行方式。

3 太陽(yáng)能輔助熱泵的發(fā)向方向

3.1 多源熱泵

能效問(wèn)題是熱泵開(kāi)發(fā)和實(shí)施中倍受關(guān)注的問(wèn)題，有效利用多種能源是提高能源效率、減少化石燃料消耗的最切實(shí)可行的途徑。將多個(gè)源集成到一個(gè)熱泵系統(tǒng)是一個(gè)微妙的過(guò)程，涉及仔細(xì)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃、模擬和優(yōu)化以及基于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。設(shè)計(jì)理論、仿真方法、部件選擇與表征、系統(tǒng)的技術(shù)性能測(cè)試與評(píng)價(jià)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)是創(chuàng)建成熟的、可廣泛部署的多源熱泵系統(tǒng)需要解決的主要問(wèn)題。

3.2 利用廢熱和可再生能源進(jìn)行熱泵除霜

熱泵除霜需要消耗大量電能，利用高溫排風(fēng)可以有效解決熱泵除霜問(wèn)題?？諝獬哂型顿Y成本低、無(wú)需改造、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

除廢氣外，其他廢棄物和可再生能源也可用于熱泵除霜。在熱水溫度為40 ～50 ℃，環(huán)境溫度約為0 ℃，平均太陽(yáng)輻射為300 W/m2的條件下，太陽(yáng)能收集效率可能會(huì)低于20%。為了避免極其低效的熱量收集，水溫可以設(shè)置為10 ～20 ℃。雖然不適合供暖，但用于除霜是足夠的。因此，太陽(yáng)能在冬季得到有效利用，從而縮短了太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)的回收期。

3.3 先進(jìn)的蓄熱換熱器

蓄熱換熱器是建立建筑熱需求和太陽(yáng)能輔助熱泵熱供應(yīng)之間平衡的一個(gè)工具。蓄熱換熱器也有望快速響應(yīng)建筑的熱需求，并通過(guò)利用太陽(yáng)能提供即時(shí)熱供應(yīng)。這能延長(zhǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)的使用時(shí)間，減少熱泵的運(yùn)行時(shí)間，從而大大降低整個(gè)太陽(yáng)能輔助熱泵的電力消耗。然而，要?jiǎng)?chuàng)建最有效的蓄熱換熱器，仍然需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化、介質(zhì)選擇和表征以及相關(guān)控制策略的制定等多方面的綜合性研究。這將最大限度地利用太陽(yáng)能，并將熱泵運(yùn)行所需的電能減少到最低限度。此外，熱量供需之間的非互補(bǔ)性問(wèn)題也得到緩解。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)太陽(yáng)能輔助熱泵的研究與開(kāi)發(fā)工作進(jìn)行了評(píng)述。研究發(fā)現(xiàn)，在節(jié)能減排的大背景下，阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的主要原因有：（1）低溫環(huán)境下性能差；（2）建筑物熱需求與太陽(yáng)能輔助熱泵熱供給不匹配?；谏鲜鰡?wèn)題，提出了三個(gè)研究方向：（1）多源熱泵的開(kāi)發(fā)；（2）利用廢棄物和可再生能源的熱泵除霜技術(shù)；（3）先進(jìn)的蓄熱換熱器技術(shù)。本文的研究有助于加速太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)的發(fā)展，助力“碳達(dá)峰”和“碳中和”。